[發明專利]改善鋰硫電池性能的功能隔膜及包含該功能隔膜的鋰硫電池

有效

• 申請號: 201810608449.4
• 申請日: 2018-06-13
• 公開（公告）號: CN108878747B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 陳栩;李周;江映德
• 申請（專利權）人: 力源（廣州）新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M50/431
• 分類號: H01M50/431;H01M50/449;H01M10/0525;H01M10/42
• 代理公司: 北京聯瑞聯豐知識產權代理事務所(普通合伙) 11411
• 代理人: 許浩達

本發明屬于電化學領域，具體涉及一種應用于改善鋰硫電池電化學性能的功能隔膜，通過在隔膜上涂覆金屬銅及導電劑等，從而構成與多硫離子反應并使其穩定為正極活性材料的功能隔膜，可以大幅度提高鋰硫電池的循環穩定性，此外，該功能隔膜的構筑僅通過高度商業化的涂覆、濺射等方法就可以實現，制備過程操作簡單，非常適合大規模生產應用。

技術領域

本發明屬于電化學領域，具體涉及一種應用于改善鋰硫電池電化學性能的功能隔膜，本發明還涉及包含上述功能隔膜的鋰硫電池。

背景技術

目前，在數碼產品和電動汽車中廣泛使用鋰離子電池是綜合性能最好的動力電池，但其比能量密度低的瓶頸難以滿足未來輕型化、大容量、長續航的電子設備、電動汽車、無人飛機等技術發展要求。因此開發具有更高比能量的二次電池，成為國際社會面臨的共同挑戰。鋰硫電池的理論比能量高達2600Wh/kg，實際比能量已超過350Wh/kg，被認為是繼鋰離子電池后最接近商業化的高比能量二次電池體系。鋰硫電池的正極活性物質(單質硫)價格低廉、來源廣泛、環境友好，成為繼鋰離子電池之后最具發展潛力的儲能體系之一。目前，美國、日本及歐洲的許多發達國家政府都在大力支持鋰硫電池技術開發。

盡管已持續研發很長一段時間，鋰硫電池仍然存在的諸多問題阻止了其商業化，主要是由于充放電過程中，正極硫單質的中間產物——多硫化鋰在電解液溶解并遷移，從而在金屬鋰負極反應，即“穿梭效應”(Shuttle mechanism)造成電池阻抗增加，并最終導致電池循環壽命較差和庫倫效率較低。但是基于鋰硫電池的液態反應類型，多硫離子的溶解不可避免且對鋰硫電池十分必要。因此，如何限制多硫離子在正負極之間的穿梭就顯得尤為重要。早期，研究者主要通過正極中導電碳結構、氧化物、聚合物電解質等固定或阻止可溶性多硫離子的遷移。但此類方法往往基于材料微觀形貌的設計，難以大規模應用。

隔膜在電池中主要起到防止正負極接觸并允許離子傳導的作用，是電池重要的組成部分。目前，商品化的鋰離子電池中采用的主要是具有微孔結構的聚烯烴類隔膜材料，如聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)的單層或多層膜。因此，通過在隔膜上修飾功能層實現離子選擇性遷移也是解決鋰硫電池正極產生的多硫離子穿梭的一種方法，比如通過形成石墨烯與金屬-有機框架材料(Metal–organic framework，MOF)形成的自支撐復合結構作為隔膜材料，其中多孔MOF的孔道調控作用可以使鋰離子通過，但半徑較大的多硫離子則無法通過，從而有效抑制多硫離子的穿梭效應(Nature Energy，DOI:10.1038/NENERGY.2016.94)。但可以預料，無論是從正極側多孔碳等的限域作用還是隔膜角度的離子篩分作用，這樣的物理阻隔都會對電池所需要的正離子傳輸(鋰離子)也產生阻礙，從而降低電池的功率密度，此外，其穩定性和效果還與微觀結構構筑高度相關，從而大大降低了實際應用的可操作性。

發明內容

基于此，本發明提出通過在隔膜上涂覆金屬銅及導電劑等，從而構成與多硫離子反應并使其穩定為正極活性材料的功能隔膜，可以大幅度提高鋰硫電池的循環穩定性，此外，該功能隔膜的構筑僅通過高度商業化的涂覆、濺射等方法就可以實現，制備過程操作簡單，非常適合大規模生產應用。

本發明的另一個目的在于提供一種包含上述功能隔膜的鋰硫電池。本發明的還一個目的是提供一種上述功能隔膜在化學電源體系，尤其是在鋰硫電池中的應用。

為實現上述目的，本發明具體實施方案如下：一種改善鋰硫電池性能的功能隔膜，包括微孔有機隔膜基材，在所述微孔有機隔膜基材的表面涂覆有金屬銅和導電劑復合層。